JPH02264906A - 高効率プリズム結合装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、光集積回路等における入射カップリングに利
用される高効率プリズム結合装置に関する。

従来の技術 従来におけるプリズム結合装置の一例を第７図に基づい
て説明する。基板１上には屈折率ｎｆの導波路層２が形
成されており、この導波路層２の上部には屈折率ｎｃの
ギヤツブ調整層３を介して、屈折率ｎｐのプリズム４が
設けられている。このように構成されたプリズム結合装
置において、以下、最適な結合効率が得られる条件につ
いて見てみる。入射光５を入射角０（鉛直方向とのなす
角）をなしてプリズム４の底面に入射させると、この光
路の導波路層２に沿う方向の伝搬定数βは、β＝　ｎｐ
ｋｓｉｒ＋＆　　　　　　　　　　−（１）ただし、ｋ
＝２π／λ　（λ：入射光波長）となる。

この場合、導波路層２のある導波モードの伝搬定数にβ
が等しくなるように入射角θを調整すれば入射光５は導
波モードに結合し、導波光が励起される。今、導波モー
ドの等側屈折率をＮとすると、導波モードの伝搬定数β
Ｗは、 βｗ＝Ｎ　ｋ　　　　　　　　　・・・（２）となる。

この時、入射光５を導波モードに効率良く結合させるに
は、プリズム４の底面まで到達した入射光５をそのプリ
ズム４の端部に位置するように入射させ、しかも、ギャ
ップ調整層３の厚さを最適に設定する。今、入射光５の
プリズム４の底面での長さをＬとし、その入射光５を平
面波とすれば、αｒ　Ｌ＝　１．２５　　　　　・（３
）のときに最高結合効率が得られる。

ただし、 とする。

Ｔｅｆｆ　＝　Ｔ＋１　／　ｙｃ＋１　／　ｙｓγｃ＝
に拝こ０…ｙ γｓ＝に杯−〇πｙ Ｎ　＝　ｎｆ−ｓｉｎθｆ Ｓ：ギャップ調整層の厚み Ｔ：導波路層の厚み ｎｓ：基板の屈折率 そこで、具体例として、導波路層２の屈折率ｎｆ＝１．
６、基板１の屈折率ｎ５＝１．４６、ギャップ調整層３
は空気層としてｎｃ＝１、　導波路層２の厚さＴ＝１．
５μｍとし、入射光５のプリズム４の底面での長さＬ＝
２ｍｔｎとしたときに、ギャップ調整層２の厚さＳを変
えたときの結合効率を第８図に示す。これより、Ｓ＝０
．１３６μｍとしたとき、（３）式で示した条件により
最高の光結合効率８１．４％を得ることができる。

発明が解決しようとする課題 しかし、この最高の光結合効率が得られる条件は、入射
光５の長さがＬの時に成り立つものである。一般に、第
９図に示すように、入射光５は、プリズム４の底面では
、楕円形（円も含む）をしており、伝搬方向（Ｚ軸方向
）の入射光５の長さは幅方向（Ｘ軸方向）の位置よりも
変化している。

従って、このようにギャップ調整層３の軍さＳを入射光
５の中心付近の長さに対して最適に選んだとすると、入
射光５の周辺部の光結合効率が悪くなってしまう。

課題を解決するための手段 請求項１記載の発明は、基板上に導波路層を形成し、こ
の導波路層上にこれよりも屈折率が低く入射光の伝搬方
向と直交する幅方向に前記入射光のビーム形状に対応し
て厚みが変化したギャップ調整層を形成し、このギャッ
プ調整層上に前記導波路層よりも高い屈折率を有する誘
電性プリズムを形成した。

請求項２記載の発明は、基板上に導波路層を形成し、こ
の導波路層上にこれよりも屈折率が低く入射光の伝搬方
向と直交する幅方向に前記入射光のビーム形状に対応し
て屈折率が変化したギャップ調整層を形成し、このギャ
ップ調整層上に前記導波路層よりも高い屈折率を有する
誘電性プリズムを形成した。

作用 請求項１記載の発明により、ギャップ調整層の厚みを入
射光の伝搬方向と直交する幅方向に沿って入射光のビー
ム形状に対応して変化させることによって、その入射ビ
ームの全体に渡って最適な光結合条件を得ることができ
る。

請求項２記載の発明により、ギャップ調整層の屈折率を
入射光の伝搬方向と直交する幅方向に沿って入射光のビ
ーム形状に対応して変化させることによって、その入射
ビームの全体に渡って最適な光結合条件を得ることがで
きる。

実施例 まず、請求項１記載の発明の第一の実施例を第１図（ａ
）（ｂ）に基づいて説明する。

基板６上には導波路層７が形成されている。この導波路
層７上にはこれよりも屈折率が低く入射光の伝搬方向（
Ｚ軸方向）と直交する幅方向（Ｘ軸方向）に入射光のビ
ーム形状に対応して厚みが変化したギャップ調整層８が
形成されている。このギャップ調整層８の上部には、前
記導波路層７よりも高い屈折率を有する誘電性プリズム
９が設けられている。この誘電性プリズム９としては、
例えば、高屈折率ガラスを使用することができる。

本実施例では、前記ギャップ調整層８を空気層としてお
り、この空気層は入射光のビームが到達する中央部で厚
く、幅方向に沿う両端部分で薄くなるように、前記誘電
性プリズム９の底面形状が形成されている。

このような構成において、最大の光結合効率が得られる
具体例について述べる。今、導波路層７の屈折率ｎｆ＝
１．６、その厚みを１．５μｍ、誘電性プリズム９の屈
折率ｎｃ＝１．８、基板６の屈折率ｎ５＝１．４６とし
、入射光の誘電性プリズム９の底面でのビーム形状が直
径２Ｉ［１ｍの円であるとする。この状態で、入射光が
導波路層７に結合する効率を最大にするためには、第３
図の曲線Ａに示すように、入射光の幅方向へのビーム位
置に対するギャップ調整層８（ここでは、空気層）の厚
さが、ビームの中央部８ａで厚く、幅方向のビームの両
端部８ｂに行くに従って薄くなるように、前記誘電性プ
リズム９の底面形状を変化させることによって最大の光
結合効率を得ることができる。

次に、請求項１記載の発明の第二の実施例を第２図（ａ
）（ｂ）に基づいて説明する。

本実施例は、ギャップ調整層８と誘電性プリズム９との
間に、誘電性プリズム９とほぼ同一の屈折率をもつ接着
剤１０を用いて接着させた場合の例である。また、ギャ
ップ調整層８の厚みは、入射光と直交する幅方向（Ｘ軸
方向）に対して、中央部で厚く両端部に向かうに従って
薄くなっている。具体例として、今、ギャップ調整層８
の屈折率ｎｇ＝１．４６、誘電性プリズム９の屈折率ｎ
ｃ＝１．８　、導波路層７の屈折率ｎｆ＝１．６、その
厚みを１．５μｍ、基板６の屈折率ｎｓ＝　１．４６と
し、入射光の誘電性プリズム９の底面でのビーム形状が
直径２ｍｍの円であるとする。また、接着剤１０にはポ
リイミド樹脂を使用し、その屈折率１．７５　とする。

この状態で、入射光が導波路層７に結合する効率を最大
にするためには、第３図の曲線Ｂに示すように、入射光
の幅方向へのビーム位置に対するギャップ調整層８の厚
みを、ビームの中心部８ａで厚く、幅方向のビームの両
端部８ｂに行くに従って薄くなるように変化させること
により最大の結合効率を得ることができる。

この場合、ギャップ調整層８の厚みの調整は、蒸着、ス
パッタ、ＣＶＤ等で一定の厚さに成膜し、エツチングを
行う際に場所によりエツチング量を変えて最適な厚さに
設定することができる。また、ギャップ調整層８は、導
波路層８の全面に渡って形成するのではなく、光の結合
部のみに形成するようにし、しかも、入射光の伝搬方向
にテーパなつけると損失することなく導波モードを伝搬
することができる。

次に、請求項２記載の発明の第一の実施例を第４図（ａ
）（ｂ）に基づいて説明する。なお、請求項１記載の発
明と同一部分については同一符号を用いる。

一般に、プリズム結合を行う場合、第９図における従来
技術でも説明したように、入射ビームをプリズム４底面
の端部に到達するように入射させる必要がある。もし、
第１０図に示すように、プリズム４の端部よりも内側に
ビームを入射させると、たとえ最適な光の結合条件を溝
たしていたとしても、導波路層２に結合したビームが再
びプリズム４と結合（これを、デカップリングという）
し、外部空間に出ていってしまう。このため、入射ビー
ムはプリズム４の端部に一致させる必要がある。このよ
うなことから、請求項１記載の発明の第一の実施例では
、ビーム形状に対応して誘電性プリズム９の底面端部の
形状をビーム形状に合わせたわけである。また、そのよ
うな誘電性プリズム９の底面端部の形状の変化をなくす
ために、請求項１記載の発明の第二の実施例では、接着
剤１０を用いギャップ調整層８の表面形状を曲面状に変
化させた。

本発明における実施例は、そのような誘電性プリズム９
の底面端部の形状変化や接着剤１ｏを用いてギャップ調
整層８の表面形状を変化させることなく、高効率な光の
結合を行おうとするものである。以下、その説明を行う
。

基板６上には導波路層７が形成されている。この導波路
層７上にはこれよりも屈折率が低く入射光の伝搬方向（
Ｚ軸方向）と直交する幅方向（Ｘ軸方向）に入射光のビ
ーム形状に対応して屈折率が変化したギャップ調整層８
が形成されている。

このギャップ調整層８としては、感光性高分子樹脂を用
い、紫外線露光により露光量に対応して屈折率を変化さ
せて形成することができる。前記ギャップ調整層８上に
は、前記導波路層７よりも高い屈折率を有する誘電性プ
リズム９が形成されている。

このような構成において、最大の光結合効率が得られる
具体例について述べる。今、ギャップ調整層８の厚さを
０．３μｍ、導波路層７の屈折率ｎｆ＝１．６、その厚
みを１．５μｒｎ　、誘電性プリズム９の屈折率ｎｃ＝
１．８、基板６の屈折率ｎ５＝１．４６とし、入射光の
誘電性プリズム９の底面でのビーム形状が直径２ｍｓの
円であるとする。

この状態で、入射光が導波路層７に結合する効率を最大
にするためには、第６図の曲線に示すように、入射光の
幅方向へのビーム位置に対するギャップ調整層８の屈折
率を、ビームの中心部８ａで低く、幅方向のビームの両
端部８ｂに行く従って高くなるように変化させることに
よって最大の結合効率を得ることができる。また、本実
施例の場合にも、ギャップ調整層８は、光の結合部だけ
に限定し、しかも、入射光の伝搬方向にテーバをつける
ことによって損失することなく導波モードを伝搬するこ
とができる。

次に、請求項２記載の発明の第二の実施例を第５図（ａ
）（ｂ）に基づいて説明する。

基板６上には導波路層７が形成されており、この導波路
層７の表面にはその導波路層７よりも屈折率の低いギャ
ップ調整層８が積層されている。

このギャップ調整層８の上部には、入射光のビーム形状
と同じ形に一部分が取り除かれた金属層１１が積層され
ている。この金属層１１の上部には、導波路層７よりも
高い屈折率を有する誘電性プリズム９が設けられている
。

この場合、ギャップ調整層８の屈折率は、前述した第一
の実施例と同じく、ビーム形状に対応して第６図に示す
ように変化している。また、金属層ｌｌは、蒸着、スパ
ッタ等で成膜後に、フォトリソ技術によりビーム形状と
ばぽ同径の所定の形状にエツチングにより除去して形成
される。その除去された部分には、誘電性プリズム９と
同じ屈折率をもつ媒体を充填してもよい。

発明の効果 請求項１記載の発明では、入射光のビーム形状に対応さ
せてギャップ調整層の厚さを変化させることによって、
最適な光の結合条件を求めることができ、これにより入
射光のビーム全体に渡って高い光の結合効率を得ること
ができるものである。

請求項２記載の発明では、入射光のビーム形状に対応さ
せてギャップ調整層の屈折率を変化させることによって
、最適な光の結合条件を求めることができ、これにより
ギャップ調整層の厚さを調整する煩わしさもなく、入射
光のビーム全体に渡って高い光の結合効率を得ることが
できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は請求項１記載の発明の第一の実施例を示
す側面図、第１図（ｂ）はその正面図、第２図（ａ）は
請求項１記載の発明の第二の実施例を示す側面図、第２
図（ｂ）はその正面図、第３図は請求項１記載の発明に
おける入射光の幅方向のビーム位置とギャップ調整層と
の関係を示すグラフ、第４図（ａ）は請求項２記載の発
明の第一の実施例を示す側面図、第４図（ｂ）はその正
面図、第５図（ａ）は請求項２記載の発明の第二の実施
例を示す側面図、第５図（ｂ）はその正面図、第６図は
請求項２記載の発明における入射光の幅方向のビーム位
置とギャップ調整層との関係を示すグラフ、第７図は従
来例を示す側面図、第８図はそのギャップ調整層の膜厚
と光結合効率との関係を示すグラフ、第９図はプリズム
底面における入射ビームの形状を示す斜視図、第１０図
はプリズムに入射する光の入射位置をプリズム底面の中
央部に変えた場合はの様子を示す側面図である。 ５・・・入射光、６・・・基板、７・・・導波路層、８
・・ギャップ調整層、９・・・誘電性プリズム出　願　
人　　　　株式会社　リ　コ ヒ゛−Ａ位員（ａＴｒＬ） 図 ギ￥ツブ訓！１ＭΦ月臭月１９人−） ビニへａ　１ｉ（ＴＩ口１） ごも 図 一第」Ｏ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板上に形成された導波路層と、この導波路層上に
   形成されこれよりも屈折率が低く入射光の伝搬方向と直
   交する幅方向に前記入射光のビーム形状に対応して厚み
   が変化したギャップ調整層と、このギャップ調整層上に
   形成され前記導波路層よりも高い屈折率を有する誘電性
   プリズムとよりなることを特徴とする高効率プリズム結
   合装置。 ２、基板上に形成された導波路層と、この導波路層上に
   形成されこれよりも屈折率が低く入射光の伝搬方向と直
   交する幅方向に前記入射光のビーム形状に対応して屈折
   率が変化したギャップ調整層と、このギャップ調整層上
   に形成され前記導波路層よりも高い屈折率を有する誘電
   性プリズムとよりなることを特徴とする高効率プリズム
   結合装置。